JP2003046196A - 半導体レーザおよびその作製方法 - Google Patents
半導体レーザおよびその作製方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 互いに間隔をおいて共振方向に延びる１対の
ガイド部の間に基本横モード光を閉じ込めるS-ARROW 構
造を有する半導体レーザにおいて、ガイド部の形状の精
度を高くして、安定して基本横モードで発光可能とす
る。 【解決手段】 基板20上に活性層18、上部第１クラッド
層17、上部第２クラッド層15および電流阻止層13を含む
複数の層を形成し、電流阻止層13上に導波方向に延びる
互いに平行な幅の等しい１対の開口を有するマスク25を
形成し、該マスク25を用いて電流阻止層13に１対の28溝
をエッチングにより形成した後、溝28の底面の上部第２
クラッド層15をエッチング除去して該クラッド層15に互
いに平行な１対の溝を形成すると共に、電流阻止層13の
１対の溝28の間に残されたリッジ状部分Ｅをエッチング
除去し、クラッド層15に形成された１対の溝に該クラッ
ド層13より高屈折率の材料11を埋め込んで等価的屈折率
が高いガイド部Ｇを形成する。
ガイド部の間に基本横モード光を閉じ込めるS-ARROW 構
造を有する半導体レーザにおいて、ガイド部の形状の精
度を高くして、安定して基本横モードで発光可能とす
る。 【解決手段】 基板20上に活性層18、上部第１クラッド
層17、上部第２クラッド層15および電流阻止層13を含む
複数の層を形成し、電流阻止層13上に導波方向に延びる
互いに平行な幅の等しい１対の開口を有するマスク25を
形成し、該マスク25を用いて電流阻止層13に１対の28溝
をエッチングにより形成した後、溝28の底面の上部第２
クラッド層15をエッチング除去して該クラッド層15に互
いに平行な１対の溝を形成すると共に、電流阻止層13の
１対の溝28の間に残されたリッジ状部分Ｅをエッチング
除去し、クラッド層15に形成された１対の溝に該クラッ
ド層13より高屈折率の材料11を埋め込んで等価的屈折率
が高いガイド部Ｇを形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに関
し、特に詳細には、互いに間隔をおいて延びる１対の高
屈折率層の間に基本横モード光を閉じ込めるようにし
た、いわゆるS-ARROW構造を有する半導体レーザに関す
るものである。
し、特に詳細には、互いに間隔をおいて延びる１対の高
屈折率層の間に基本横モード光を閉じ込めるようにし
た、いわゆるS-ARROW構造を有する半導体レーザに関す
るものである。
【０００２】また本発明は、このS-ARROW 構造を有する
半導体レーザを作製する方法に関するものである。
半導体レーザを作製する方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】現在、半導体レーザは、レーザ光が回折
限界まで集光可能である性質を利用し、光通信用光源、
また光ディスク装置用光源等として広く用いられてい
る。しかしながら、半導体レーザから放射される光なら
ば全て回折限界まで集光可能であるわけではなく、半導
体レーザの出射端面において位相が揃っている光のみが
集光される。このような光を提供できる状態の半導体レ
ーザは、基本横モードで発光していると呼ばれている。
それに対して、様々な位相の光が混在している状態、つ
まり高次の横モードが混在して発光している状態では、
回折限界まで集光することはできない。
限界まで集光可能である性質を利用し、光通信用光源、
また光ディスク装置用光源等として広く用いられてい
る。しかしながら、半導体レーザから放射される光なら
ば全て回折限界まで集光可能であるわけではなく、半導
体レーザの出射端面において位相が揃っている光のみが
集光される。このような光を提供できる状態の半導体レ
ーザは、基本横モードで発光していると呼ばれている。
それに対して、様々な位相の光が混在している状態、つ
まり高次の横モードが混在して発光している状態では、
回折限界まで集光することはできない。
【０００４】上述の基本横モード動作は、高次の横モー
ドが混在し難くなるように、発光断面積を小さくすれば
するほど、安定することが広く知られている。そのた
め、そのような半導体レーザにおける導波路のサイズ
は、厚さ方向においては１μｍ以下、発光層に水平な方
向には２乃至４μｍ程度に設定される。特に、この発光
層に水平な方向の幅を狭めれば狭めるほど、安定して基
本横モードで発光する素子を高い歩留りで製造可能とな
ることは経験的にも広く知られている。
ドが混在し難くなるように、発光断面積を小さくすれば
するほど、安定することが広く知られている。そのた
め、そのような半導体レーザにおける導波路のサイズ
は、厚さ方向においては１μｍ以下、発光層に水平な方
向には２乃至４μｍ程度に設定される。特に、この発光
層に水平な方向の幅を狭めれば狭めるほど、安定して基
本横モードで発光する素子を高い歩留りで製造可能とな
ることは経験的にも広く知られている。
【０００５】しかしながら、このように導波路の横幅を
狭めて発光断面積を狭くすると、必然的に、半導体レー
ザの出射端面における光密度の上昇を招く。この出射端
面における光密度の増大は、半導体レーザの構成材料の
劣化を招き、素子の寿命を短くする一要因となる。
狭めて発光断面積を狭くすると、必然的に、半導体レー
ザの出射端面における光密度の上昇を招く。この出射端
面における光密度の増大は、半導体レーザの構成材料の
劣化を招き、素子の寿命を短くする一要因となる。
【０００６】言い換えれば、基本横モードの安定化（導
波路の断面積を小さくすること）と、光出力の増大（導
波路の断面積を大きくすること）はトレードオフの関係
にある。そこで、この限界を打破することが、現在の半
導体レーザの研究、開発における大きな課題となってい
る。
波路の断面積を小さくすること）と、光出力の増大（導
波路の断面積を大きくすること）はトレードオフの関係
にある。そこで、この限界を打破することが、現在の半
導体レーザの研究、開発における大きな課題となってい
る。
【０００７】その一アイデアとして、 IEEE PHOTONICS
TECHNOLOGY LETTERS, Vol.10, No.8, August 1998 に開
示されているように、 S-ARROW ( Simplified Antireso
nantReflecting Optical Waveguide )構造が提案されて
いる。この構造では、基本横モードを発光するにも関わ
らず、従前の構造と比較して発光断面の幅（導波路の横
幅）を1.5〜２倍の６μｍ程度とすることができ、最大
光出力の改善が期待されている。
TECHNOLOGY LETTERS, Vol.10, No.8, August 1998 に開
示されているように、 S-ARROW ( Simplified Antireso
nantReflecting Optical Waveguide )構造が提案されて
いる。この構造では、基本横モードを発光するにも関わ
らず、従前の構造と比較して発光断面の幅（導波路の横
幅）を1.5〜２倍の６μｍ程度とすることができ、最大
光出力の改善が期待されている。
【０００８】以下、このS-ARROW構造の半導体レーザが
基本横モードで発光する理由を説明する。
基本横モードで発光する理由を説明する。
【０００９】まず図１０の(a)に、本構造を有する半導
体レーザの主要部分の断面形状（導波方向に垂直な断面
内の形状）を示す。この半導体レーザは、n-GaAs基板39
上に、n-InGaPからなる下部クラッド層38、InGaAs量子
井戸活性層を含んだInGaAsPからなるSCH(Separate-conf
inement-heterostructue)構造層37、p−InGaPからなる
上部クラッド層36および32、n-GaAsからなるエッチング
停止層35、n-AlInPからなる電流阻止層34、n-GaAsから
なる例えば厚さ0.25μｍのガイド部33、そしてp-GaAsか
らなるコンタクト層31が形成されてなる。
体レーザの主要部分の断面形状（導波方向に垂直な断面
内の形状）を示す。この半導体レーザは、n-GaAs基板39
上に、n-InGaPからなる下部クラッド層38、InGaAs量子
井戸活性層を含んだInGaAsPからなるSCH(Separate-conf
inement-heterostructue)構造層37、p−InGaPからなる
上部クラッド層36および32、n-GaAsからなるエッチング
停止層35、n-AlInPからなる電流阻止層34、n-GaAsから
なる例えば厚さ0.25μｍのガイド部33、そしてp-GaAsか
らなるコンタクト層31が形成されてなる。
【００１０】ここで、上記のガイド部33を構成している
GaAsは、周囲部分に比較して高い屈折率を有するため、
SCH構造層37と平行な方向において等価的な屈折率は、
同図の(b)に示す通り、ガイド部で高く、その他の部分
では低い分布を持つことになる。
GaAsは、周囲部分に比較して高い屈折率を有するため、
SCH構造層37と平行な方向において等価的な屈折率は、
同図の(b)に示す通り、ガイド部で高く、その他の部分
では低い分布を持つことになる。
【００１１】このような導波路構造において、２本のガ
イド部33の各幅Ａは、それらの間に基本横モードの光の
みを閉じ込める一方、高次の横モードの光がそれらの間
に閉じ込められることなく、ガイド部33の外側に漏れ出
るようになる寸法が選ばれる。前掲の参考文献によれ
ば、ガイド部33の幅Ａは0.85μｍ、溝幅Ｂは6.5μｍと
されている。
イド部33の各幅Ａは、それらの間に基本横モードの光の
みを閉じ込める一方、高次の横モードの光がそれらの間
に閉じ込められることなく、ガイド部33の外側に漏れ出
るようになる寸法が選ばれる。前掲の参考文献によれ
ば、ガイド部33の幅Ａは0.85μｍ、溝幅Ｂは6.5μｍと
されている。
【００１２】また電流阻止層34の作用により、レーザの
利得の基となる電流はこれら２本のガイド部33の間にの
み注入され、レーザ光に対する利得は、ガイド部33の間
のみで発生する。
利得の基となる電流はこれら２本のガイド部33の間にの
み注入され、レーザ光に対する利得は、ガイド部33の間
のみで発生する。
【００１３】このため、基本横モードの光のみがガイド
部33の間に閉じ込められ、十分な利得を得ることができ
る。一方、高次の横モードの光はガイド部33の間に閉じ
込められないので、利得を得ることができない。そこで
当然の帰結として、基本横モードの光が優先的に発光す
ることになり、半導体レーザは高光出力まで安定な基本
横モードにて動作する。
部33の間に閉じ込められ、十分な利得を得ることができ
る。一方、高次の横モードの光はガイド部33の間に閉じ
込められないので、利得を得ることができない。そこで
当然の帰結として、基本横モードの光が優先的に発光す
ることになり、半導体レーザは高光出力まで安定な基本
横モードにて動作する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来は、このS-
ARROW 構造を作製する際に、以下に示す理由のために低
歩留りになることが避けられず、それが量産上の大きな
問題となっていた。この理由を説明するために、まず図
１１〜１４を参照してS-ARROW 構造を有する半導体レー
ザの作製方法を説明する。
ARROW 構造を作製する際に、以下に示す理由のために低
歩留りになることが避けられず、それが量産上の大きな
問題となっていた。この理由を説明するために、まず図
１１〜１４を参照してS-ARROW 構造を有する半導体レー
ザの作製方法を説明する。
【００１５】まず図１１に示すように、有機金属成長法
により、n-GaAs基板39上に、n-InGaPからなる下部クラ
ッド層38、InGaAs量子井戸活性層を含んだInGaAsPから
なるSCH(Separate-confinement-heterostructue)構造層
37、p-InGaPからなる上部クラッド層36、n-GaAsからな
るエッチング停止層35、n-AlInPからなる電流阻止層3
4、n-GaAsからなる厚さ0.25μｍのガイド部33を順次成
長させる。
により、n-GaAs基板39上に、n-InGaPからなる下部クラ
ッド層38、InGaAs量子井戸活性層を含んだInGaAsPから
なるSCH(Separate-confinement-heterostructue)構造層
37、p-InGaPからなる上部クラッド層36、n-GaAsからな
るエッチング停止層35、n-AlInPからなる電流阻止層3
4、n-GaAsからなる厚さ0.25μｍのガイド部33を順次成
長させる。
【００１６】次に１回目のフォトリソグラフィー工程お
よびエッチング工程により、ガイド部33となるGaAsを残
し、周囲のGaAs層を除去して、図１２に示す断面構造を
得る。
よびエッチング工程により、ガイド部33となるGaAsを残
し、周囲のGaAs層を除去して、図１２に示す断面構造を
得る。
【００１７】さらに図１３に示すように、２回目のフォ
トリソグラフィー工程により、幅Ｂの溝（図１０参照）
に対応する部分以外にレジストパターン40を形成する。
トリソグラフィー工程により、幅Ｂの溝（図１０参照）
に対応する部分以外にレジストパターン40を形成する。
【００１８】その後、上記レジストパターン40をマスク
として、p-InGaPからなる上部クラッド層36が露出する
まで半導体層を順次エッチング除去して、図１４に示す
ように導波路中央に位置する箇所に溝Ｍを有する断面構
造を得る。
として、p-InGaPからなる上部クラッド層36が露出する
まで半導体層を順次エッチング除去して、図１４に示す
ように導波路中央に位置する箇所に溝Ｍを有する断面構
造を得る。
【００１９】その後、レジストパターン40を除去し、再
度、結晶成長により p-InGaPからなる上部クラッド層3
2、p-GaAsからなるコンタクト層31を形成すると、図１
０に示す構造を有する半導体レーザが得られる。
度、結晶成長により p-InGaPからなる上部クラッド層3
2、p-GaAsからなるコンタクト層31を形成すると、図１
０に示す構造を有する半導体レーザが得られる。
【００２０】ところで、図１０に示す構造の半導体レー
ザにおいて、各ガイド部33の幅が互いに異なって所定幅
からずれたり、それぞれの形成位置が所定位置からずれ
たりすると、基本横モード以外の光がガイド部間に残る
ため、基本横モード以外で発光したり、また、基本横モ
ードの光が十分にガイド部間を導波せず、基本横モード
での発振閾電流値が上昇したりする不具合が生じる。具
体的には、ガイド部33の位置や幅が所定値から0.1〜0.2
μｍ程度ずれても、半導体レーザの特性劣化を招いてし
まう。
ザにおいて、各ガイド部33の幅が互いに異なって所定幅
からずれたり、それぞれの形成位置が所定位置からずれ
たりすると、基本横モード以外の光がガイド部間に残る
ため、基本横モード以外で発光したり、また、基本横モ
ードの光が十分にガイド部間を導波せず、基本横モード
での発振閾電流値が上昇したりする不具合が生じる。具
体的には、ガイド部33の位置や幅が所定値から0.1〜0.2
μｍ程度ずれても、半導体レーザの特性劣化を招いてし
まう。
【００２１】したがって、以上述べた従来方法では、S-
ARROW構造を作製するにあたり、特に２回目のフォトリ
ソグラフィー工程においては図１４中に示す溝Ｍが所定
位置に形成されるようにレジストパターン40を0.1μｍ
程度の非常に高い精度で形成する必要がある。すなわ
ち、レジストパターン40の開口部がガイド部33の中央部
に形成されなければ図１０に示す１対のガイド部33の幅
が所定幅からずれたり、所定位置からずれたりするた
め、このレジストパターン40の開口部とガイド部33との
位置関係を高精度に制御する必要がある。しかしなが
ら、レジストパターン40を高精度に制御して形成するの
は困難であるために、所定位置および所定幅で高精度に
形成されたガイド部33を有する半導体レーザを高歩留ま
りで得ることができなかった。
ARROW構造を作製するにあたり、特に２回目のフォトリ
ソグラフィー工程においては図１４中に示す溝Ｍが所定
位置に形成されるようにレジストパターン40を0.1μｍ
程度の非常に高い精度で形成する必要がある。すなわ
ち、レジストパターン40の開口部がガイド部33の中央部
に形成されなければ図１０に示す１対のガイド部33の幅
が所定幅からずれたり、所定位置からずれたりするた
め、このレジストパターン40の開口部とガイド部33との
位置関係を高精度に制御する必要がある。しかしなが
ら、レジストパターン40を高精度に制御して形成するの
は困難であるために、所定位置および所定幅で高精度に
形成されたガイド部33を有する半導体レーザを高歩留ま
りで得ることができなかった。
【００２２】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、S-ARROW構造を有する半導体レーザを高歩留ま
りで得ることができる作製方法を提供することを目的と
するものである。
であり、S-ARROW構造を有する半導体レーザを高歩留ま
りで得ることができる作製方法を提供することを目的と
するものである。
【００２３】また本発明は、安定して基本横モードで発
光し、また基本横モードでの発振閾電流値を低く保つこ
とができる、S-ARROW構造を有する半導体レーザ半導体
レーザを提供することを目的とするものである。
光し、また基本横モードでの発振閾電流値を低く保つこ
とができる、S-ARROW構造を有する半導体レーザ半導体
レーザを提供することを目的とするものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザの作製方法は、導波方向に垂直かつ活性層に平行な方
向に互いに離れた２つの部分の等価的屈折率が、該部分
に隣接する部分の等価的屈折率より高い屈折率分布を有
する半導体レーザの作製方法であって、基板上に、前記
活性層、第１のクラッド層、電流阻止層をこの順に含む
複数の層を形成し、前記電流阻止層上に、導波方向に延
びる互いに平行な１対の等しい幅の開口を有するマスク
を形成し、該マスクを用いて、前記電流阻止層に導波方
向に延びる互いに平行な１対の溝をエッチングにより形
成し、前記溝の底面の前記第１のクラッド層を所定深さ
までエッチング除去して該第１のクラッド層に互いに平
行な１対の溝を形成すると共に、前記電流阻止層の前記
１対の溝の間に残されたリッジ状部分をエッチング除去
し、少なくとも前記第１のクラッド層に形成された１対
の溝に該第１のクラッド層より高屈折率の材料を埋め込
み、少なくとも該高屈折率の材料および前記第１のクラ
ッド層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に第２のクラ
ッド層を形成することを特徴とするものである。
ザの作製方法は、導波方向に垂直かつ活性層に平行な方
向に互いに離れた２つの部分の等価的屈折率が、該部分
に隣接する部分の等価的屈折率より高い屈折率分布を有
する半導体レーザの作製方法であって、基板上に、前記
活性層、第１のクラッド層、電流阻止層をこの順に含む
複数の層を形成し、前記電流阻止層上に、導波方向に延
びる互いに平行な１対の等しい幅の開口を有するマスク
を形成し、該マスクを用いて、前記電流阻止層に導波方
向に延びる互いに平行な１対の溝をエッチングにより形
成し、前記溝の底面の前記第１のクラッド層を所定深さ
までエッチング除去して該第１のクラッド層に互いに平
行な１対の溝を形成すると共に、前記電流阻止層の前記
１対の溝の間に残されたリッジ状部分をエッチング除去
し、少なくとも前記第１のクラッド層に形成された１対
の溝に該第１のクラッド層より高屈折率の材料を埋め込
み、少なくとも該高屈折率の材料および前記第１のクラ
ッド層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に第２のクラ
ッド層を形成することを特徴とするものである。
【００２５】本発明の半導体レーザの作製方法において
は、前記第１のクラッド層の中に、エッチング停止層を
設け、前記第１のクラッド層を該エッチング停止層まで
除去することが望ましい。
は、前記第１のクラッド層の中に、エッチング停止層を
設け、前記第１のクラッド層を該エッチング停止層まで
除去することが望ましい。
【００２６】前記高屈折率の材料は、少なくとも前記第
１のクラッド層に形成された１対の溝に埋め込めばよ
く、前記第１クラッド層に形成された１対の溝にのみ埋
め込んでもよいし、該１対の溝を埋め込むと同時に積層
面上に一様に形成してもよい。
１のクラッド層に形成された１対の溝に埋め込めばよ
く、前記第１クラッド層に形成された１対の溝にのみ埋
め込んでもよいし、該１対の溝を埋め込むと同時に積層
面上に一様に形成してもよい。
【００２７】本発明による半導体レーザは、上記作製方
法によって作製可能なもので、導波方向に垂直かつ活性
層に平行な方向に互いに離れた２つの部分の等価的屈折
率が、該部分に隣接する部分の等価的屈折率より高い屈
折率分布を有する半導体レーザであって、基板上に、前
記活性層、第１のクラッド層、電流阻止層および第２の
クラッド層をこの順に含む複数の層を有し、前記導波方
向に垂直かつ活性層に平行な方向における、導波路中央
部に相当する部分の前記電流阻止層が除去されており、
前記第１のクラッド層の、前記電流阻止層が除去された
部分の両端に相当する箇所に、互いに平行な１対の溝が
形成されており、少なくとも前記１対の溝に前記第１の
クラッド層より高屈折率の材料が埋め込まれており、少
なくとも前記高屈折率の材料の上および前記第１のクラ
ッド層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に前記第２の
クラッド層が形成されていることを特徴とするものであ
る。
法によって作製可能なもので、導波方向に垂直かつ活性
層に平行な方向に互いに離れた２つの部分の等価的屈折
率が、該部分に隣接する部分の等価的屈折率より高い屈
折率分布を有する半導体レーザであって、基板上に、前
記活性層、第１のクラッド層、電流阻止層および第２の
クラッド層をこの順に含む複数の層を有し、前記導波方
向に垂直かつ活性層に平行な方向における、導波路中央
部に相当する部分の前記電流阻止層が除去されており、
前記第１のクラッド層の、前記電流阻止層が除去された
部分の両端に相当する箇所に、互いに平行な１対の溝が
形成されており、少なくとも前記１対の溝に前記第１の
クラッド層より高屈折率の材料が埋め込まれており、少
なくとも前記高屈折率の材料の上および前記第１のクラ
ッド層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に前記第２の
クラッド層が形成されていることを特徴とするものであ
る。
【００２８】本発明の半導体レーザにおいては、前記電
流阻止層の導電性が前記第１のクラッド層と逆極性であ
り、前記電流阻止層と前記第１のクラッド層とのｐｎ接
合による電流阻止構造を備えてなることが望ましい。
流阻止層の導電性が前記第１のクラッド層と逆極性であ
り、前記電流阻止層と前記第１のクラッド層とのｐｎ接
合による電流阻止構造を備えてなることが望ましい。
【００２９】また、前記高屈折率の材料は半導体からな
ることが望ましい。
ることが望ましい。
【００３０】さらに、前記活性層はInGaAsからなること
が望ましい。
が望ましい。
【００３１】
【発明の効果】本発明による半導体レーザの作製方法
は、電流阻止層上に設けた導波方向に延びる互いに平行
な１対の幅の等しい開口を有するマスクを利用して、該
電流阻止層に１対の溝をエッチングにより形成し、この
１対の溝の底面の第１のクラッド層を所定深さまでエッ
チング除去して該第１のクラッド層に互いに平行な１対
の溝を形成すると共に、電流阻止層の１対の溝の間に残
されたリッジ状部分をエッチング除去するものであり、
電流阻止層における１対の溝の形成および第１のクラッ
ド層における１対の溝の形成はいずれもエッチングを利
用するものである。同一材料に対するエッチング速度は
等しいので、１対のマスク開口部の電流阻止層は互いに
等しいエッチング速度でエッチングされて、該エッチン
グにより形成される溝の深さおよび幅は自己整合的に互
いに等しいものとなる。同様にエッチングにより第１の
クラッド層に形成される１対の溝もその深さおよび幅が
自己整合的に互いに等しいものとなる。この第１のクラ
ッド層に形成された１対の溝は互いに深さおよび幅が等
しいため、この溝に高屈折率の材料を埋め込むことによ
り、該高屈折率の材料の幅、つまりガイド部の幅は、自
己整合的に高精度で互いに等しいものとなる。したがっ
て、互いに間隔をおいて延びる１対の高屈折率層（ガイ
ド部）の間に基本横モード光を閉じ込めるようにした、
高精度のS-ARROW構造を有する半導体レーザを得ること
ができる。
は、電流阻止層上に設けた導波方向に延びる互いに平行
な１対の幅の等しい開口を有するマスクを利用して、該
電流阻止層に１対の溝をエッチングにより形成し、この
１対の溝の底面の第１のクラッド層を所定深さまでエッ
チング除去して該第１のクラッド層に互いに平行な１対
の溝を形成すると共に、電流阻止層の１対の溝の間に残
されたリッジ状部分をエッチング除去するものであり、
電流阻止層における１対の溝の形成および第１のクラッ
ド層における１対の溝の形成はいずれもエッチングを利
用するものである。同一材料に対するエッチング速度は
等しいので、１対のマスク開口部の電流阻止層は互いに
等しいエッチング速度でエッチングされて、該エッチン
グにより形成される溝の深さおよび幅は自己整合的に互
いに等しいものとなる。同様にエッチングにより第１の
クラッド層に形成される１対の溝もその深さおよび幅が
自己整合的に互いに等しいものとなる。この第１のクラ
ッド層に形成された１対の溝は互いに深さおよび幅が等
しいため、この溝に高屈折率の材料を埋め込むことによ
り、該高屈折率の材料の幅、つまりガイド部の幅は、自
己整合的に高精度で互いに等しいものとなる。したがっ
て、互いに間隔をおいて延びる１対の高屈折率層（ガイ
ド部）の間に基本横モード光を閉じ込めるようにした、
高精度のS-ARROW構造を有する半導体レーザを得ること
ができる。
【００３２】すなわち、本発明の半導体レーザの作製方
法によれば、電流阻止層上に設けられるマスクの開口幅
が精度よく形成されていれば、エッチング作用により自
己整合的に形状の等しい１対の溝を形成することがで
き、マスク位置と該マスクが形成される層との位置関係
に従来のような高精度の制御を必要としないため、S-AR
ROW 構造を有する半導体レーザを高歩留まりで得ること
ができる。
法によれば、電流阻止層上に設けられるマスクの開口幅
が精度よく形成されていれば、エッチング作用により自
己整合的に形状の等しい１対の溝を形成することがで
き、マスク位置と該マスクが形成される層との位置関係
に従来のような高精度の制御を必要としないため、S-AR
ROW 構造を有する半導体レーザを高歩留まりで得ること
ができる。
【００３３】なお、第１のクラッド層の中にエッチング
停止層を設け、第１のクラッド層をこのエッチング停止
層まで除去することとすれば、エッチングする所定深さ
を容易に調整することができる。
停止層を設け、第１のクラッド層をこのエッチング停止
層まで除去することとすれば、エッチングする所定深さ
を容易に調整することができる。
【００３４】上述のように本発明の方法によって作製さ
れた半導体レーザは、高屈折率材料からなる１対のガイ
ド部の形状の精度が高いS-ARROW 構造を備え、それによ
り安定して基本横モードで発光し、また基本横モードで
の発振閾電流値を低く保てるものとなる。
れた半導体レーザは、高屈折率材料からなる１対のガイ
ド部の形状の精度が高いS-ARROW 構造を備え、それによ
り安定して基本横モードで発光し、また基本横モードで
の発振閾電流値を低く保てるものとなる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態による半導体レーザの、導波方向に垂直な断面内
の形状を示すものであり、また図２〜９はこの半導体レ
ーザを作製する工程を順を追って示している。
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態による半導体レーザの、導波方向に垂直な断面内
の形状を示すものであり、また図２〜９はこの半導体レ
ーザを作製する工程を順を追って示している。
【００３６】図１(a)に示す通りこの半導体レーザは、n
-GaAs基板20上に、n-InGaPからなる下部クラッド層19
と、InGaAs量子井戸活性層を含んだInGaAsPからなるSCH
構造層18と、p-InGaPからなる上部第１クラッド層17、p
-GaAsからなる第１エッチング停止層16、p-InGaPからな
る上部第２クラッド層15およびp-GaAsからなる第２エッ
チング停止層14と、n-InGaPからなる電流阻止層13と、n
-GaAsからなる保護層12と、p-GaAsからなるガイド層11
と、p-InGaPからなる上部第３クラッド層10と、p-GaAs
からなるコンタクト層９とを備えてなる。またn-GaAs基
板20の裏面にはｎ側電極21が、コンタクト層９の上には
ｐ側電極22が形成されている。なお、本実施の形態の半
導体レーザの上部第１クラッド層および上部第２クラッ
ド層が請求の範囲に記載されている第１のクラッド層に
相当し、上部第３クラッド層が請求の範囲に記載されて
いる第２のクラッド層に相当する。
-GaAs基板20上に、n-InGaPからなる下部クラッド層19
と、InGaAs量子井戸活性層を含んだInGaAsPからなるSCH
構造層18と、p-InGaPからなる上部第１クラッド層17、p
-GaAsからなる第１エッチング停止層16、p-InGaPからな
る上部第２クラッド層15およびp-GaAsからなる第２エッ
チング停止層14と、n-InGaPからなる電流阻止層13と、n
-GaAsからなる保護層12と、p-GaAsからなるガイド層11
と、p-InGaPからなる上部第３クラッド層10と、p-GaAs
からなるコンタクト層９とを備えてなる。またn-GaAs基
板20の裏面にはｎ側電極21が、コンタクト層９の上には
ｐ側電極22が形成されている。なお、本実施の形態の半
導体レーザの上部第１クラッド層および上部第２クラッ
ド層が請求の範囲に記載されている第１のクラッド層に
相当し、上部第３クラッド層が請求の範囲に記載されて
いる第２のクラッド層に相当する。
【００３７】ここで、ガイド層11を構成する半導体は、
上部第２クラッド層15を構成する半導体よりも屈折率の
高い組成とする。本構造にて、導波方向に対して垂直か
つ基板に対して水平方向（SCH構造層18と平行な方向）
の屈折率分布を決めるのは、GaAsからなるガイド層11で
ある。ガイド層11がSCH構造層18に近接した部位Ｇ（斜
線部）において、従来技術で述べた図11のガイド部33と
同等な働きをする。すなわち、図１(b)中に示す等価的
屈折率分布を持ち、前述したS-ARROW構造の導波路構造
となっている。なお、ガイド層11は、上部第２クラッド
層15に形成されている溝の部分すなわち図中斜線部にの
み形成されていてもよく、この場合にも同様に図１(b)
に示す等価的屈折率分布となる。
上部第２クラッド層15を構成する半導体よりも屈折率の
高い組成とする。本構造にて、導波方向に対して垂直か
つ基板に対して水平方向（SCH構造層18と平行な方向）
の屈折率分布を決めるのは、GaAsからなるガイド層11で
ある。ガイド層11がSCH構造層18に近接した部位Ｇ（斜
線部）において、従来技術で述べた図11のガイド部33と
同等な働きをする。すなわち、図１(b)中に示す等価的
屈折率分布を持ち、前述したS-ARROW構造の導波路構造
となっている。なお、ガイド層11は、上部第２クラッド
層15に形成されている溝の部分すなわち図中斜線部にの
み形成されていてもよく、この場合にも同様に図１(b)
に示す等価的屈折率分布となる。
【００３８】次に、この半導体レーザを作製する方法
を、図２〜９を参照して説明する。まず図２に示すよう
に、有機金属成長法によりn-GaAs基板20上に、n-InGaP
からなる下部クラッド層19，InGaAs量子井戸活性層を含
んだInGaAsPからなるSCH構造層18、 p-InGaPからなる上
部第１クラッド層17、p-GaAsからなる第１エッチング停
止層16、p-InGaPからなる上部第２クラッド層15、p-GaA
sからなる第２エッチング停止層14 、n-InGaPからなる
電流阻止層13、n-GaAsからなる保護層12を順次成長させ
る。
を、図２〜９を参照して説明する。まず図２に示すよう
に、有機金属成長法によりn-GaAs基板20上に、n-InGaP
からなる下部クラッド層19，InGaAs量子井戸活性層を含
んだInGaAsPからなるSCH構造層18、 p-InGaPからなる上
部第１クラッド層17、p-GaAsからなる第１エッチング停
止層16、p-InGaPからなる上部第２クラッド層15、p-GaA
sからなる第２エッチング停止層14 、n-InGaPからなる
電流阻止層13、n-GaAsからなる保護層12を順次成長させ
る。
【００３９】次に図３に示すように、プラズマCVD工
程、および、フォトリソグラフィー工程により、導波方
向に延びる互いに平行な開口を有するSiO2のパターン25
を形成する。本例では、開口幅Ｃをそれぞれ３μｍ程
度、溝の間隔Ｄを２μｍ程度とした。
程、および、フォトリソグラフィー工程により、導波方
向に延びる互いに平行な開口を有するSiO2のパターン25
を形成する。本例では、開口幅Ｃをそれぞれ３μｍ程
度、溝の間隔Ｄを２μｍ程度とした。
【００４０】このSiO2パターン25をマスクとして、図４
に示すように、化学エッチング法により、保護層12、電
流阻止層13、第２エッチング停止層14を順次エッチング
除去する。これにより、導波方向に延びる平行な１対の
溝28が形成され、該溝28間にリッジ部Ｅが形成される。
エッチングは具体的には次のようにして行う。まずGaAs
のみを溶解する性質のあるアンモニアと過酸化水素水の
混合液によりGaAsからなる保護層12を除去し、次に、塩
酸系のエッチング液にてn-InGaPからなる電流阻止層13
を除去する。塩酸系のエッチング液はGaAsを溶かす能力
がないため、エッチングはGaAsからなる第２エッチング
停止層14上で自動的に停止する。そして、再度、アンモ
ニアと過酸化水素水の混合液を用いて第２エッチング停
止層14を除去することにより溝28を形成する。
に示すように、化学エッチング法により、保護層12、電
流阻止層13、第２エッチング停止層14を順次エッチング
除去する。これにより、導波方向に延びる平行な１対の
溝28が形成され、該溝28間にリッジ部Ｅが形成される。
エッチングは具体的には次のようにして行う。まずGaAs
のみを溶解する性質のあるアンモニアと過酸化水素水の
混合液によりGaAsからなる保護層12を除去し、次に、塩
酸系のエッチング液にてn-InGaPからなる電流阻止層13
を除去する。塩酸系のエッチング液はGaAsを溶かす能力
がないため、エッチングはGaAsからなる第２エッチング
停止層14上で自動的に停止する。そして、再度、アンモ
ニアと過酸化水素水の混合液を用いて第２エッチング停
止層14を除去することにより溝28を形成する。
【００４１】次に、２回目のフォトリソグラフィー工程
により、図５に示すように、リッジ部Ｅを露出させ、溝
28の所定位置から溝28両脇のリッジＦを覆うレジストパ
ターン26を形成する。レジストパターンは、リッジ部Ｅ
を露出し、両脇のリッジＦを覆うものであればよく、図
中のレジストパターン26が多少左右にずれて形成されて
も問題はない。
により、図５に示すように、リッジ部Ｅを露出させ、溝
28の所定位置から溝28両脇のリッジＦを覆うレジストパ
ターン26を形成する。レジストパターンは、リッジ部Ｅ
を露出し、両脇のリッジＦを覆うものであればよく、図
中のレジストパターン26が多少左右にずれて形成されて
も問題はない。
【００４２】次に図６に示すように、リッジ部Ｅ上のSi
O2のレジストパターン25をプラズマエッチングにより選
択的に除去し、さらに中央部の保護膜12も、エッチング
液にて選択的に除去する。
O2のレジストパターン25をプラズマエッチングにより選
択的に除去し、さらに中央部の保護膜12も、エッチング
液にて選択的に除去する。
【００４３】次に図７に示すように、レジストを除去
し、さらに図８に示すように、InGaPのみ溶解する塩酸
系のエッチング液にてリッジ部Ｅの電流阻止層13および
溝28の上部第２クラッド層15を除去する。このように、
上部第１クラッド層および上部第２クラッド層の間にエ
ッチング停止層を設ければ、該エッチング停止層で自動
的にエッチングを停止させることができる。同一材料に
おけるエッチング速度は等しいため、エッチングされて
形成される溝の幅は略同一となる。
し、さらに図８に示すように、InGaPのみ溶解する塩酸
系のエッチング液にてリッジ部Ｅの電流阻止層13および
溝28の上部第２クラッド層15を除去する。このように、
上部第１クラッド層および上部第２クラッド層の間にエ
ッチング停止層を設ければ、該エッチング停止層で自動
的にエッチングを停止させることができる。同一材料に
おけるエッチング速度は等しいため、エッチングされて
形成される溝の幅は略同一となる。
【００４４】さらに、図９に示すように、両脇のリッジ
Ｆ上面に形成されていたSiO2レジストパターン25を除去
する。
Ｆ上面に形成されていたSiO2レジストパターン25を除去
する。
【００４５】次に、有機金属成長法によりp-GaAsからな
るガイド層11、p-InGaPからなる上部第３クラッド層1
0、 p-GaAsからなるコンタクト層９を、それぞれ結晶成
長させて形成する。
るガイド層11、p-InGaPからなる上部第３クラッド層1
0、 p-GaAsからなるコンタクト層９を、それぞれ結晶成
長させて形成する。
【００４６】その後、コンタクト層９の上にｐ側電極22
を形成し、さらに基板20を研磨してからｎ側電極21を形
成する。さらに、試料をへき開して形成した共振器面に
高反射率コート、低反射率コートを形成し、その後チッ
プ化すると、図１に示した半導体レーザ素子が得られ
る。
を形成し、さらに基板20を研磨してからｎ側電極21を形
成する。さらに、試料をへき開して形成した共振器面に
高反射率コート、低反射率コートを形成し、その後チッ
プ化すると、図１に示した半導体レーザ素子が得られ
る。
【００４７】この半導体レーザ素子を、導電性のろう材
（In等）を用いてジャンクションダウンでヒートシンク
に実裝し、ｎ側電極21の側にワイヤーボンドを施すと半
導体レーザ装置が完成する。
（In等）を用いてジャンクションダウンでヒートシンク
に実裝し、ｎ側電極21の側にワイヤーボンドを施すと半
導体レーザ装置が完成する。
【００４８】この実施の形態においては、１回目のフォ
トリソグラフィ工程において平面状の結晶成長面に形成
されるレジストパターンにより溝の幅および溝間隔が決
定されるため、２回目のフォトリソグラフィ工程におい
ては、パターン形成において高精度な制御を必要としな
い。上記作製方法により各ガイド部分Ｇの幅は、高い精
度で互いに等しく形成することができる。したがって、
このS-ARROW構造を有する半導体レーザは、安定して基
本横モードで発光し、また基本横モードでの発振閾電流
値を低く保てるものとなる。
トリソグラフィ工程において平面状の結晶成長面に形成
されるレジストパターンにより溝の幅および溝間隔が決
定されるため、２回目のフォトリソグラフィ工程におい
ては、パターン形成において高精度な制御を必要としな
い。上記作製方法により各ガイド部分Ｇの幅は、高い精
度で互いに等しく形成することができる。したがって、
このS-ARROW構造を有する半導体レーザは、安定して基
本横モードで発光し、また基本横モードでの発振閾電流
値を低く保てるものとなる。
【００４９】具体的に上記構成の半導体レーザ素子は、
共振器長1.2ｍｍにて、発振波長980ｎｍで発振するが、
出力0.5Ｗまで光出力-電流特性の上で異常無く動作す
る。またこの半導体レーザ素子は、近視野像の乱れも無
く、実際のシステム搭載時においても、安定な光出力を
得ることができた。また、以上述べた作製方法によれ
ば、このような特性の半導体レーザ素子を再現性良く、
すなわち高歩留まりで得ることができる。
共振器長1.2ｍｍにて、発振波長980ｎｍで発振するが、
出力0.5Ｗまで光出力-電流特性の上で異常無く動作す
る。またこの半導体レーザ素子は、近視野像の乱れも無
く、実際のシステム搭載時においても、安定な光出力を
得ることができた。また、以上述べた作製方法によれ
ば、このような特性の半導体レーザ素子を再現性良く、
すなわち高歩留まりで得ることができる。
【００５０】なお以上説明した実施の形態では、ｎ型基
板上に各層を成長させているが、本発明ではｐ型基板を
用いてもよく、その場合は導電性を反転するだけでよ
い。
板上に各層を成長させているが、本発明ではｐ型基板を
用いてもよく、その場合は導電性を反転するだけでよ
い。
【００５１】また以上は、GaAs系半導体を用いる実施の
形態について説明したが、本発明ではそれに限らず、Ga
N系、InP系、あるいはその他の半導体を用いることも可
能である。
形態について説明したが、本発明ではそれに限らず、Ga
N系、InP系、あるいはその他の半導体を用いることも可
能である。
【００５２】また半導体のエッチングは、液体、気体に
拘わらず、InGaAsPと他の結晶を選択的にエッチングで
きるものであれば、何を用いても支障は無い。
拘わらず、InGaAsPと他の結晶を選択的にエッチングで
きるものであれば、何を用いても支障は無い。
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体レーザの
概略断面図
概略断面図
【図２】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図３】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図４】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図５】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図６】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図７】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図８】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図９】図１の半導体レーザの作製工程を示す図
【図１０】S-ARROW 構造を有する従来の半導体レーザの
概略断面図
概略断面図
【図１１】図１０の半導体レーザの作製工程を示す図
【図１２】図１０の半導体レーザの作製工程を示す図
【図１３】図１０の半導体レーザの作製工程を示す図
【図１４】図１０の半導体レーザの作製工程を示す図
９ p-GaAsコンタクト層
10 p-InGaP上部第３クラッド層
11 p-GaAsガイド層
12 n-GaAs保護層
13 n-InGaP電流阻止層
14 p-GaAs第２エッチング停止層
15 p-InGaP上部第２クラッド層
16 p-GaAs第１エッチング停止層
17 p-InGaP上部第１クラッド層
18 InGaAsP−SCH構造層（活性層）
19 n-InGaP下部クラッド層
20 n-GaAs基板
21 ｎ側電極
22 ｐ側電極
25 SiO2パターン（マスク）
31 p-GaAsコンタクト層
32 p-InGaP上部クラッド層
33 n-GaAsガイド部
34 n-AlInP電流阻止層
35 n-GaAsエッチング停止層
36 p−InGaP上部クラッド層
37 SCH構造層
38 n-InGaP下部クラッド層
39 n-GaAs基板
Claims (6)
- 【請求項１】 導波方向に垂直かつ活性層に平行な方向
に互いに離れた２つの部分の等価的屈折率が、該部分に
隣接する部分の等価的屈折率より高い屈折率分布を有す
る半導体レーザの作製方法であって、 基板上に、前記活性層、第１のクラッド層、電流阻止層
をこの順に含む複数の層を形成し、 前記電流阻止層上に導波方向に延びる互いに平行な１対
の等しい幅の開口を有するマスクを形成し、 該マスクを用いて、前記電流阻止層に導波方向に延びる
互いに平行な１対の溝をエッチングにより形成し、 前記溝の底面の前記第１のクラッド層を所定深さまでエ
ッチング除去して該第１のクラッド層に互いに平行な１
対の溝を形成すると共に、前記電流阻止層の前記１対の
溝の間に残されたリッジ状部分をエッチング除去し、 少なくとも前記第１のクラッド層に形成された１対の溝
に該第１のクラッド層より高屈折率の材料を埋め込み、 少なくとも該高屈折率の材料および前記第１のクラッド
層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に第２のクラッド
層を形成することを特徴とする半導体レーザの作製方
法。 - 【請求項２】 前記第１のクラッド層の中に、エッチン
グ停止層を設け、前記第１のクラッド層を該エッチング
停止層まで除去することを特徴とする請求項１記載の半
導体レーザの作製方法。 - 【請求項３】 導波方向に垂直かつ活性層に平行な方向
に互いに離れた２つの部分の等価的屈折率が、該部分に
隣接する部分の等価的屈折率より高い屈折率分布を有す
る半導体レーザであって、 基板上に、前記活性層、第１のクラッド層、電流阻止層
および第２のクラッド層をこの順に含む複数の層を有
し、 前記導波方向に垂直かつ活性層に平行な方向における、
導波路中央部に相当する部分の前記電流阻止層が除去さ
れており、 前記第１のクラッド層の、前記電流阻止層が除去された
部分の両端に相当する箇所に、互いに平行な１対の溝が
形成されており、 少なくとも前記１対の溝に前記第１のクラッド層より高
屈折率の材料が埋め込まれており、 少なくとも前記高屈折率の材料の上および前記第１のク
ラッド層の前記１対の溝に挟まれた部分の上に前記第２
のクラッド層が形成されていることを特徴とする半導体
レーザ。 - 【請求項４】 前記電流阻止層の導電性が前記第１のク
ラッド層と逆極性であり、前記電流阻止層と前記第１の
クラッド層とのｐｎ接合による電流阻止構造を備えてな
ることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。 - 【請求項５】 前記高屈折率の材料が半導体からなるこ
とを特徴とする請求項３または４項記載の半導体レー
ザ。 - 【請求項６】 前記活性層がInGaAsからなることを特徴
とする請求項３から５いずれか１項記載の半導体レー
ザ。
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|---|---|---|---|
| JP2001233293A JP2003046196A (ja) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | 半導体レーザおよびその作製方法 |
| US10/207,803 US6707835B2 (en) | 2001-08-01 | 2002-07-31 | Process for producing semiconductor laser element including S-ARROW structure formed by etching through mask having pair of parallel openings |
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| JP2001233293A JP2003046196A (ja) | 2001-08-01 | 2001-08-01 | 半導体レーザおよびその作製方法 |
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|---|---|
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